본문내용
1. 등전위선 실험
1.1. 실험 목적
이번 실험의 목적은 전기장과 등전위선에 대한 성질을 이해하는 것이다. 구체적으로 도체판에 전류를 흐르게 하고, 검침봉을 이용하여 전류가 흐르지 않는 지점을 찾아 점을 찍고 연결하여 등전위선을 그리는 것이 실험의 주된 목표이다. 이를 통해 전기장과 등전위선 사이의 관계를 이해하고, 등전위선을 그리는 방법을 파악하고자 한다.
1.2. 실험 원리
등전위선 실험의 원리는 다음과 같다.
전기장과 등전위선에는 밀접한 관계가 있다. 전기장 내에는 전위가 같은 점들이 존재하며, 이 점들을 연결하면 등전위선을 이룬다. 등전위선 위의 점들은 전위가 모두 같으므로 등전위선 위에 있는 전하를 이동시키는 데 필요한 일은 0이다. 따라서 등전위선에 접한 방향에는 전기장의 값이 없다. 즉, 전기장은 등전위선에 수직이다.
전기장 E는 등전위면(선)에 수직이 된다. 편의상 2차원 평면에 대해서 생각해 보면, 도체판의 두 단자를 통해 전류를 흘릴 때 도체판 내에서의 전류는 포물선의 방향으로 전기장의 방향을 나타낸다. 이 포물선에 수직인 방향에는 전류가 흐르지 않으므로 전위차도 없다. 이와 같은 점을 이은 선이 등전위선이 된다. 따라서 도체판 상의 두 점 사이에서 전류가 흐르지 않는다면, 이 두 점은 등전위선상에 있는 점이다.
1.3. 실험 방법
1.3.1. 실험 장비
실험 장비는 다음과 같다:
얇은 도체판 또는 바닥에 얇은 철사망이 있는 물접시, 검류계 또는 오실로스코프, 전원(건전지 6V, DC전원, AC전원), 세 개의 고정전극과 한 개의 이동단자, 다양한 모양의 전극(원형, 직사각형, 직선)이 사용되었다. 이 실험에서는 도체판(얇은 알루미늄판 또는 탄소판이 입혀진 먹지) 또는 전도용액(전해질)을 그래프 용지와 함께 사각접시에 놓아 사용하였다.
1.3.2. 실험 절차
실험 절차는 다음과 같다.
고정 검침봉을 원점(0,0)에 두고 등전위를 가지는 부분을 찾아보았다. 그 결과 중심을 기준으로 x=0 그래프와 같이 상하로 늘어진 직선 모양의 그래프가 그려졌다. 그 이후 x쪽 방향으로 5씩 이동하며 (5,0), (10,0)과 같이 고정 검칭봉을 이동하였다. 이때에는 y2=4px의 포물선 모양을 그리며 양 끝으로 휘어졌다. 전극 주변에서는 타원 이내 원의 모양을 가지는 그래프 모양을 가지는 것을 알 수 있었다.
이와 유사하게 전극의 모양을 세로로 길게 둔 두 긴 직사각형 전극 사이의 등전위선 측정 실험도 진행하였다. 동일하게 원점을 중심으로 5단위로 옮기면서 그래프의 모양을 관찰한 결과, 고정 검침봉을 중심에 놓았을 때는 y축으로 직선인 모양이 x 방향으로 옮길 때는 동일하게 y2=4px의 포물선 모양을 그리며 양 끝으로 휘어졌다.
또한 실험 3에서는 중앙 부근에 긴 직사각형 전극과 원형 大 전극을 두고 전류 측정값의 변화를 관찰하였다. 과정 (3)에서는 무전원 전극이 있어도 주변에 전기장과 전위가 생기고, 과정 (4)에서는 무전원 전극의 표면에 접촉하였을 때 등전위를 이루는 것을 확인할 수 있었다.
1.4. 실험 결과 및 분석
1.4.1. 실험 1: 두 원형(小) 전극 사이의 등전위선 측정
고정 검침봉을 기본적으로 원점(0,0)에 두고 등전위를 가지는 부분을 찾아보았다. 중심을 기준으로 x=0 그래프와 같이 상하로 늘어진 직선 모양의 그래프가 그려졌다. 그 이후 x쪽 방향으로 5씩 이동하며 (5,0), (10,0)과 같이 고정 검칭봉을 이동하였다. 이때에는 y2=4px의 포물선 모양을 그리며 양 끝으로 휘어졌다. 그 이상으로 넘어가게 되면 똑같은 포물선 모양이지만 포물선의 p의 값이 작아지는 그리고 기울기 작아지는 그래프가 되었다. 전극 주변에서는 타원 이내 원의 모양을 가지는 그래프 모양을 가지는 것을 알 수 있었다. 전체적으로 보았을 때 상하 좌우가 대칭된 형태를 볼 수 있었다. 이를 통해 두 원형(小) 전극 사이의 등전위선은 중심을 기준으로 직선 모양을 보이다가 전극 주변으로 갈수록 포물선 모양으로 휘어지며 전극 주변에서는 타원 이내 원의 모양을 가진다는 것을 알 수 있다.
1.4.2. 실험 2: 두 긴 직사각형 전극...
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